O ciclo de Otto envolve quatro est gios principais: admiss o, compress o, explos o e escape. Durante a fase de admiss o, o motor aspira uma mistura de combust vel e ar enquanto o pist o se move para baixo. A mistura ent o comprimida medida que o pist o se move para cima, o que aumenta a temperatura e a press o do g s. No topo do curso de compress o, a vela de igni o acende a mistura comprimida, causando uma combust o r pida conhecida como o tempo de pot ncia. Esta combust o empurra o pist o para baixo, fornecendo energia ao motor.

Ap s o tempo de pot ncia, a v lvula de escape se abre e o pist o se move para cima para expelir os gases de combust o do cilindro, completando o ciclo. O motor ent o repete esse ciclo continuamente durante a opera o.

A efici ncia de um motor que opera pelo ciclo de Otto depende do grau de compress o e das propriedades do combust vel usado. Rela es de compress o mais altas geralmente levam a uma melhor efici ncia, mas requerem combust vel de maior octanagem para evitar a detona o do motor. O ciclo de Otto caracterizado por ser um ciclo de alta velocidade com cada est gio claramente definido, contribuindo significativamente para a efici ncia geral e a produ o de energia dos motores que o empregam.

mechanisms

Sadi Carnot introduziu [1] o conceito te rico do primeiro projeto de m quina capaz de gerar trabalho mec nico com base em um gradiente de temperatura. Isso alcan ado por meio de um processo no espa o press o-volume, onde calor adicionado e extra do, conforme ilustrado na imagem:

image

A rea sob a curva o calor fornecido ($Q_H$), que se estende de 1 a 2, representa a energia necess ria para transitar do estado ($p_1, V_1$) para o estado ($p_2, V_2$). Por outro lado, a rea sob a curva o calor absorvido ($Q_C$), indo de 2 para 1, representa a extra o de energia necess ria para retornar do estado ($p_2, V_2$) ao estado ($p_1, V_1$). A diferen a entre essas reas corresponde regi o delimitada por ambas as curvas e representa o trabalho eficaz ($W$) que o sistema pode realizar.

Carnot tamb m demonstrou que, de acordo com a segunda lei da termodin mica, o calor fornecido ($Q_H$) n o pode ser igual a zero. Isso implica que n o existem m quinas capazes de converter todo o calor em trabalho.

[1] "R flexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres d velopper cette puissance" (Reflex es sobre a Pot ncia Motriz do Fogo e sobre M quinas Adequadas para Desenvolver Essa Pot ncia), Sadi Carnot, Annales scientifiques de l .N.S. 2e s rie, tome 1, p. 393-457 (1872)

O ciclo de Otto [1] pode ser considerado uma solu o t cnica baseada no ciclo de Carnot. Nesse contexto, ele consiste em quatro est gios que s o realizados da seguinte maneira:

• Est gio 1 para 2: Compress o adiab tica $(p_1,V_1,T_1)\rightarrow(p_2,V_2,T_2)$,
• Est gio 2 para 3: Aquecimento $(p_2,V_2,T_2)\rightarrow(p_3,V_2,T_3)$,
• Est gio 3 para 4: Expans o adiab tica $(p_3,V_2,T_3)\rightarrow(p_4,V_1,T_4)$,
• Est gio 4 para 1: Resfriamento $(p_4,V_1,T_4)\rightarrow(p_1,V_1,T_1)$

Esses est gios s o ilustrados no seguinte diagrama:

image

No diagrama, ilustrado o fluxo de energia, onde o calor fornecido ($Q_H$) adiciona energia, elevando a temperatura de la temperatura no estado 2 ($T_2$) para la temperatura no estado 3 ($T_3$). Ele entra no sistema e realiza um trabalho eficaz ($W$) unidades de trabalho, enquanto o componente o calor absorvido ($Q_C$) absorvido, diminuindo a temperatura de la temperatura no estado 4 ($T_4$) para la temperatura no estado 1 ($T_1$).

[1] "Verbrennungsmotor" (Motor de combust o interna), N. A. Otto, Kaiserlichen Patentamts, Patente 532, 2 de janeiro de 1877.

Nota: Em 1862, Nikolaus Otto tentou construir o motor de combust o interna patenteado por Alphonse Beau de Rochas sem sucesso. Mais tarde, ele o modificou e conseguiu construir um funcional em 1877, fabricando 30.000 motores silenciosos e altamente confi veis. Ele patenteou seu projeto em 1877; no entanto, a patente foi posteriormente revogada devido exist ncia da patente de Alphonse Beau de Rochas, embora Rochas nunca tenha conseguido construir sua vers o. Como Otto foi o primeiro a fazer o motor funcionar, sua vers o lembrada hoje, denominando o processo de "Ciclo de Otto".

O motor Otto opera em dois ciclos: o ciclo Otto propriamente dito, que consiste nas seguintes fases:

• Fase 1 para 2: Compress o adiab tica
• Fase 2 para 3: Aquecimento
• Fase 3 para 4: Expans o adiab tica
• Fase 4 para 1: Resfriamento

Al m disso, ele possui um ciclo para esvaziar os gases queimados e preencher com uma nova mistura.

image

Por essa raz o, ele chamado de motor de dois tempos. A fase de esvaziamento e preenchimento pode ser realizada usando uma massa de compensa o ou por meio de um segundo cilindro que opera fora de fase.

A efici ncia la eficiência ($\eta$) do motor pode ser estimada usando o fator de compressibilidade Otto ($r$) e o índice adiabático ($\kappa$) com a seguinte equa o:

equation=11163

O calor absorvido ($Q_C$) est relacionado com la capacidade térmica em volume constante ($C_V$), la temperatura no estado 4 ($T_4$) e la temperatura no estado 1 ($T_1$) de acordo com a seguinte equa o:

equation=11145

E O calor fornecido ($Q_H$) est relacionado com la capacidade térmica em volume constante ($C_V$), la temperatura no estado 3 ($T_3$) e la temperatura no estado 2 ($T_2$) atrav s da equa o:

equation=11157

Portanto, na equa o para la eficiência ($\eta$) representada por:

equation=11155

Temos a seguinte rela o:

equation=11161

La eficiência ($\eta$), em termos de la temperatura no estado 1 ($T_1$), la temperatura no estado 2 ($T_2$), la temperatura no estado 3 ($T_3$) e la temperatura no estado 4 ($T_4$), calculado usando a seguinte equa o:

equation=11161

No caso de expans o adiab tica, ela descrita usando o índice adiabático ($\kappa$), o volume expandido ($V_1$) e o volume compactado ($V_2$) com a rela o:

equation=11159

E a compress o adiab tica representada pela rela o:

equation=11160

Se subtrairmos a segunda equa o da primeira, obtemos:

$(T_4 - T_1)V_1^{\kappa-1} = (T_3 - T_2)V_2^{\kappa-1}$

O que nos leva rela o:

$\left(\displaystyle\frac{V_1}{V_2}\right)^{\kappa-1} = \displaystyle\frac{T_3 - T_2}{T_4 - T_1}$

Isso, por sua vez, leva defini o de o fator de compressibilidade Otto ($r$) com a seguinte equa o:

equation=11162

Com todos esses componentes, a efici ncia de um processo usando o ciclo Otto pode ser calculada como:

equation=11163

model

Neste caso, do ponto inicial 1 ao ponto 2. Isso significa que durante a compress o adiab tica, o estado do g s muda de o volume expandido ($V_1$) e la temperatura no estado 1 ($T_1$) para o volume compactado ($V_2$) e la temperatura no estado 2 ($T_2$) da seguinte forma:

kyon

O calor fornecido ($Q_H$) pode ser calculado a partir de la capacidade térmica em volume constante ($C_V$), la temperatura no estado 2 ($T_2$) e la temperatura no estado 3 ($T_3$) usando a f rmula:

kyon

Neste caso, do ponto inicial 3 ao ponto 4. Isso significa que, durante a expans o adiab tica, o estado do g s muda de o volume compactado ($V_2$) e la temperatura no estado 3 ($T_3$) para o volume expandido ($V_1$) e la temperatura no estado 4 ($T_4$), conforme:

kyon.

O calor absorvido ($Q_C$) pode ser calculado a partir de la capacidade térmica em volume constante ($C_V$), la temperatura no estado 4 ($T_4$) e la temperatura no estado 1 ($T_1$) usando a f rmula:

kyon

La eficiência ($\eta$) uma fun o de la temperatura no estado 1 ($T_1$), la temperatura no estado 2 ($T_2$), la temperatura no estado 3 ($T_3$) e la temperatura no estado 4 ($T_4$) igual a :

kyon

La eficiência ($\eta$) , em ltima inst ncia, uma fun o de o volume expandido ($V_1$) e o volume compactado ($V_2$), e em particular, de o fator de compressibilidade Otto ($r$):

kyon

La eficiência ($\eta$) pode ser calculado a partir de o fator de compressibilidade Otto ($r$) e o índice adiabático ($\kappa$) no caso do ciclo Otto usando:

kyon

O calor específico dos gases a volume constante ($c_V$) igual a la capacidade térmica em volume constante ($C_V$) dividido por la massa ($M$):

kyon